藻類生物質(zhì)生產(chǎn)系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)探索

鐘夢筆

（湖南科技職業(yè)學院，長沙 410004）

1 概述

隨著全球經(jīng)濟的快速增長，石油和煤炭等不可再生的化石能源日漸消耗，社會正面臨著能源短缺的危機。為解決能源短缺問題，太陽能、風能和生物質(zhì)能等可再生能源日漸進入我們的視野。

藻類，在用作生物質(zhì)燃料方面具有不可替代的地位，其制備的生物柴油不論是作燃料還是其他用途，對于能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問題都有一定意義。

2 系統(tǒng)基本原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 基本原理

藻類生物質(zhì)生產(chǎn)系統(tǒng)是一種藻類生產(chǎn)的材料或設(shè)備，主要包括以下幾個系統(tǒng)。第一，能源系統(tǒng)。為整個系統(tǒng)提供電力，主要分為發(fā)電模塊、貯能模塊和控制模塊三個模塊。第二，動力系統(tǒng)。本設(shè)計的兩個主運動都選擇步進電機驅(qū)動，方便協(xié)調(diào)兩種運動之間的相互配合。第三，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主要用于監(jiān)測藻類生長的各種條件的實時情況以便調(diào)整，包括溫度測量、光照測量、CO2量測量和液層高度測量。第四，調(diào)控系統(tǒng)。可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集的實時狀況和實際需要對某些量進行調(diào)節(jié)。第五，控制系統(tǒng)。以單片機為主，主要通過串口傳輸數(shù)據(jù)和指令，與主控臺進行通信，同時也對整個系統(tǒng)電源進行管理（本文只對動力系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)進行討論）。

2.2 基本結(jié)構(gòu)

2.2.1 養(yǎng)殖部分

開放式養(yǎng)殖池是最簡單和原始的藻類養(yǎng)殖系統(tǒng)，考慮到輸送帶實現(xiàn)循環(huán)運動的可行性和可靠性，選擇圓形養(yǎng)殖池。本設(shè)計因為有不銹鋼板作為養(yǎng)殖平臺，不存在藻細胞下沉的問題，故不含中央旋轉(zhuǎn)攪拌器，取而代之的是旋轉(zhuǎn)鋼板，作為傳輸帶，在藻類生長到適合大小收割時進行旋轉(zhuǎn)運動，達到收割自動化。

圓形池。圓形池的大小參考一般的養(yǎng)殖池，設(shè)計為圓環(huán)狀，中心的圓形空間用于安裝旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)（包括電動機），內(nèi)環(huán)直徑為2.5m，外環(huán)直徑為10m，深度為50mm。對應(yīng)收割系統(tǒng)的部分設(shè)計有缺口和回收通道，方便收割好的藻細胞能順利進入下一輪工序。

生長的場所——傳送帶。根據(jù)美國的一項科研成果，藻類細胞在表面含有細小波紋的抗腐蝕不銹鋼上比起在不含細紋的平面上生長具有更大吸附性和更快的生長速度。生長在鋼板表面的藻類在回收時可以用機械的方法收“割”，同時遺留在表面上的藻類將作為下一輪藻類的“根”而持續(xù)生長。因此，將“傳送帶”設(shè)計成在水面循環(huán)的模式，就可以實現(xiàn)藻類的連續(xù)生長和收獲。關(guān)于傳送帶的設(shè)計需要注意以下幾方面問題。

第一，鋼板的紋理。在鋼板上陣列微孔，增加對藻細胞的吸附性。微孔的尺寸選擇根據(jù)前人研究成果而定，選擇直徑為0.25mm，深為0.1mm，孔與孔之間的間距是4mm。

第二，設(shè)計鋼板的尺寸。主要依據(jù)是角度確定尺寸。因普通步進電機的步距角常見為7.5°，故每次轉(zhuǎn)過的角度應(yīng)為步距角的整數(shù)倍，剛好在轉(zhuǎn)過一片鋼板就收割一次，每次收割一片，整個傳送帶運動一周完成一次藻細胞回收。所以，鋼板片數(shù)n（n=1，2，3…），又因為考慮到池的外徑數(shù)值較大，當n=1時，每片鋼板過于細長，最后確定n=2，計算得X=24片，角度為15°。考慮到每片鋼片之間應(yīng)留有一定間隙，最后取角度為14.6°。

第三，設(shè)計傳送帶的運動輔助構(gòu)件。要使鋼板浮在水面難以實現(xiàn)控制，故安裝支架穩(wěn)定鋼板高度，通過液體供給系統(tǒng)調(diào)節(jié)水量達到。由于鋼板有旋轉(zhuǎn)運動的需求，所以在支架底部裝有滑輪，減低摩擦，對于后期收割時調(diào)整鋼板高度也較方便。

第四，設(shè)計旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部分。鋼板的旋轉(zhuǎn)運動由步進電機驅(qū)動，步進電機安裝在養(yǎng)殖池的中央，通過圓盤狀薄板的驅(qū)動旋轉(zhuǎn)盤帶動鋼板，支架連接銜接桿而與旋轉(zhuǎn)盤跟支架之間形成鉸接。驅(qū)動旋轉(zhuǎn)盤固定在圓形養(yǎng)殖池的內(nèi)徑厚壁上，兩者之間設(shè)計有凹槽并安裝滾珠，既能支撐薄板又不影響其旋轉(zhuǎn)運動。

2.2.2 收割部分

往復(fù)運動機構(gòu)。對于收割裝置，其運動是沿養(yǎng)殖池半徑方向的直線運動，養(yǎng)殖池里每轉(zhuǎn)過一個鋼板的位置，收割裝置運動一個循環(huán)，即一次直線往復(fù)運動。設(shè)計重點在保持刮刀不離開鋼板表面，對速度無特殊要求。基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸較大，一般的往復(fù)運動機構(gòu)難以實現(xiàn)，并且養(yǎng)殖環(huán)境較潮濕，所以，傳動件優(yōu)選鏈傳動。綜合考慮，設(shè)計往復(fù)運動機構(gòu)為鏈條帶動T型導(dǎo)桿做往復(fù)直線運動，刀具安裝在T型導(dǎo)桿上。

刮刀。由于使藻細胞與鋼板分離所需的力很小，本設(shè)計只是初步提供設(shè)計構(gòu)想，對刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性沒有經(jīng)過計算驗證。基本思路是直接用刀具在鋼板上刮取至回收通道。

定位導(dǎo)塊。定位導(dǎo)塊與T型導(dǎo)桿接觸的截面形狀設(shè)計同導(dǎo)軌截面設(shè)計。由于燕尾形導(dǎo)軌是三角形導(dǎo)軌的變形，高度較小，可承受顛覆力矩，所以在承載處選擇燕尾形導(dǎo)軌。同時，在導(dǎo)軌上部安裝矩形導(dǎo)軌防止T型導(dǎo)桿傾覆，該矩形導(dǎo)軌不起導(dǎo)向作業(yè)，兩側(cè)平面與導(dǎo)桿不接觸。根據(jù)燕尾形截面設(shè)計的定位導(dǎo)塊要根據(jù)所需高度固定在底座上。

滑塊。滑塊的設(shè)計著重在鏈條轉(zhuǎn)動時不會造成干涉，與鏈條的連接采用鉸接，所以選擇滾子鏈。鉸接時，以螺栓代替鏈節(jié)的其中一條銷軸，同時螺栓與滑塊相連，滑塊又與T型倒桿豎直部分相連。為排除滑塊運動時與鏈條、鏈輪相碰撞而造成干涉，滑塊設(shè)計成對稱的兩個獨立部分；因與T型導(dǎo)桿豎直部分的連接是滑動摩擦，截面形狀設(shè)計成圓形，猶如套筒與軸的連接。滑塊與螺栓連接用的孔用銑刀銑沉孔，裝上軸承減低轉(zhuǎn)動摩擦，而軸承由墊圈實現(xiàn)軸向定位。

3 結(jié)語

隨著科學技術(shù)的發(fā)展和進步，藻類生物質(zhì)作為生產(chǎn)新能源的原料有著不可替代的作用，它的研究和開發(fā)也越來越受到人們的重視。我國在新能源技術(shù)研究利用方面與國外相比還有較大差距，大力加強新能源技術(shù)的研究、推廣和應(yīng)用，對我國乃至世界能源領(lǐng)域都具有重大意義。

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